Экраноплан для всех: от истории и прототипов до современности и перспектив

Экраноплан – это мощное высокоскоростное транспортное средство, аппарат, летящий в пределах действия аэродинамического экрана, то есть на относительно небольшой (до нескольких метров) высоте от поверхности воды, земли, снега или льда. При равных массе и скорости, удлинение крыла экраноплана намного меньше, чем у самолёта. По международной классификации (ИМО) относятся к морским судам. Согласно определению, сформулированному в принятом ИМО «Временном руководстве по безопасности экранопланов», экраноплан — это многорежимное судно, которое в своём основном эксплуатационном режиме летит с использованием «экранного эффекта» над водной или иной поверхностью, без постоянного контакта с ней, и поддерживается в воздухе, главным образом, аэродинамической подъёмной силой, генерируемой на воздушном крыле (крыльях), корпусе или их частях, которые предназначены для использования действия «экранного эффекта».

Картинки по запросу экраноплан

Экранопланы способны эксплуатироваться на самых различных маршрутах, в том числе и тех, которые недоступны для обычных судов. Наряду с более высокими гидроаэродинамическим качеством и мореходностью, чем у других скоростных судов, экранопланы практически всегда обладают амфибийными свойствами. Помимо водной глади, они способны передвигаться над твёрдой поверхностью (земля, снег, лёд) и базироваться на ней. Экраноплан, таким образом, объединяет в себе лучшие качества судна и самолёта.

А статье мы дадим:

  • немного истории;
  • разъяснение того, что такое эффект экрана, его свойства и последствия;
  • преимущества и недостатки;
  • практические реализации у нас и за рубежом, разные схемы и причины их появления;
  • перспективы, какими они видятся мне.

Итак, от

до

Сначала, для разминки и введения, немного попрыгаем.

Прыжок в ширину

Чтобы не было путаницы с воздушными подушками, вставлю пару слов о них. Воздушная подушка отличается от полёта на экране и тем более самолётного тем, что давление под днищем считается равномерным. Важное свойство! Именно благодаря этому аппараты на воздушной подушке могут двигаться над сушей, льдом, волнами, всходить на берег.

Это оправдывает их военно-десантное и транспортное применение, несмотря на дороговизну эксплуатации. Впрочем, и подушки бывают разными, по меньшей мере, трёх типов:

Прыжок в высоту

Рассуждения об экранопланах невозможно вести без сравнения с самолётами, потому самую малость из особенностей полёта самолёта. Никакой науки, даже упоминаемого всеми всуе закона Бернулли — не будет. Всего пара простых, даже простейших и очевидных принципов, приводящих к отличиям самолётов от экранопланов.

Допрыгались до эффекта экрана

История экрана стара, как самолёты вообще. Неоднократно наблюдали, особенно на первых монопланах, что самолёт «не хочет садиться» при заходе на посадку. Несмотря на снижение мощности мотора, самолёт не терял высоту – а потом, после большой потери скорости, падал с высоты на полосу. Пусть высота была небольшой, но и прочность была невелика – всё ломалось и даже гибли пилоты. Кроме просто падения, были и эффекты резкого задирания носа и падения на крыло, что добавляло неприятных последствий. Поначалу проблем в авиации было столько, что эта была просто одной из многих. Её отмечали, но до досконального разбора причин «не доходили руки», тем более, что, когда самолёты стали тяжелее, с большей нагрузкой на крыло и большей скоростью – влияние эффекта снизилось.

Чуть позже, на тяжёлых гидропланах, которые очень долго и низко разгонялись, заметили и выгоду полёта на малой высоте. Двенадцатимоторный «Dornier Do X», крыло которого имело значительную хорду, расходовал в таком режиме значительно меньше топлива.

Наступило время разобраться, наконец, в чём же дело. У нас первым был знаменитый Б. Н. Юрьев и его работа «Влияние земли на аэродинамические свойства крыла». Занимались, конечно, и за рубежом, в первую очередь нужно отметить Липпиша. Чтобы разобраться и нам, прикоснёмся к теории.

Теория

Звук, по определению, волна давления в воздухе, скорость звука — скорость распространения давления в воздухе. Под крылом давление растёт, и рост давления распространяется, ровно как и обычный звук, отражаясь от поверхности. Если крыло достаточно широкое, а скорость невелика, то отражённая волна давления попадает в крыло и дополнительно повышает давление под ним. На очень малых высотах и скоростях это может произойти даже неоднократно.

Чтобы успеть попасть в крыло, волна должна успеть пролететь две высоты, пока крыло пролетит свою ширину. Перейдя от словесного описания к формуле, получаем: 2*H / Vзв < L/V, где H — высота полёта, Vзв — скорость звука, L — ширина (хорда) крыла, V — скорость полёта. Формула, как видите, проста и даже тривиальна. Но именно из неё следует практически всё, что можно сказать об экранопланах.

Следствия

Рост аэродинамического качества до двух раз

Следствие очевидное: энергия, которая от крыла самолёта бездарно улетает в бесконечность, возвращается на пользу дела.

Автоматическая устойчивость по высоте

Поскольку отражённая волна давления приходит в заднюю часть крыла, ЦД смещается назад относительно «самолётного» положения. Причём не просто смещается, а гуляет в зависимости от скорости и высоты над поверхностью. Чем быстрее и выше полёт — тем меньше прирост давления и больше смещение ЦД в заднюю часть. Поскольку центр масс остаётся на месте, перемещение ЦД и изменение величины силы создаёт наклоняющие моменты. Как продольные (пикирующий, кабрирующий), так и поперечные, кренящие.

Но это не так плохо: полёт на экране самоустойчив по высоте. Поднялись выше — подъёмная сила уменьшилась и вырос пикирующий момент. Аппарат проседает, вернулся на заданную высоту — подъёмная сила выросла, пикирующий момент пришёл в исходное состояние… летим!
Нужно только поддерживать желаемую скорость.

Но у всякой палки два конца, и кроме этой приятной пары следствий есть и другие, не такие радостные.

Любая автоматическая устойчивость опасна при выходе за границы

Это верно для любых естественно-устойчивых систем. В данном случае давайте рассмотрим ещё раз: поднялись высоко, подъёмная сила упала, появился пикирующий момент. Опускаемся? Да, но набираем при этом вертикальную скорость, а гасить её места-то нет.

Обратный случай: высота мала, пикирующий момент уменьшается, подъёмная сила растёт, аппарат поднимается. Хорошо? Не всегда, ведь аппарат теряет скорость в положении «нос задран». Это, кстати, один из самых распространённых видов аварий экранопланов:

Пролёт над препятствиями — тряска

Проведём экраноплан над поперечной волной:

Очевидно, что такое перераспределение давлений приведёт к крену. Точнее, поскольку волну экраноплан пролетает быстро — к переменному крену, поперечной тряске. Или диагональной. Или продольной, в зависимости от направления волны. То же самое будет происходить при пролёте над любым препятствием, и потому над сушей в режиме экрана не летают вообще.

Повороты блинчиком

Как ни просторна атмосфера, а поворачивать придётся. У самолёта поведение в повороте правильное: скорость наружного крыла выше, подъёмная сила тоже выше, и самолёт аккуратно кренится внутрь поворота, изображая из себя мотоцикл.

Даже лучше, мотоцикл наклоняет водитель, а самолёт правильно кренится сам. Скольжение уменьшается, поворот круче и безопаснее. Да и пассажирам так, конечно, приятнее.

А вот у экраноплана, как мы помним, рост скорости приводит к потере подъёмной силы. В результате он кренится наружу, из поворота.

А наружу-то и некуда, крыло заденет за воду! Чтобы не терять высоту в повороте, в отличие от самолёта, экраноплану нужно сбрасывать скорость. Но поворот сам по себе требует расхода энергии, и сбрасывать скорость при этом вдвойне невыгодно. В итоге повороты делаются с огромными радиусами, «блинчиком». Другими словами, маневренность у экранопланов отвратительная.

В реальной жизни, на ветрах, волнах, препятствиях, ЦД гуляет по крылу во всех направлениях непредсказуемо для пилота. В конструкции создаются переменные (и даже знакопеременные) разнонаправленные нагрузки, что быстро её изнашивает.

Всё плохо? Ну, не совсем

Как видно, заманчивый эффект экрана опасен для пилотирования и губителен для конструкции. Но, раз есть проблемы — есть и методы их решения. Поговорим о разных схемах экранопланов, какие они и зачем.

Автоматическая устойчивость опасна? Да, более того, опасна любая избыточная устойчивость.

Как это у самолётов

Уменьшим.

Во-первых, сделаем «обратное V» крыла, то есть опустим его концы вниз.

Как это у самолётов

Дополнительная выгода: поскольку экраноплан летает над водой, на опущенных концах поставим поплавки.

Во-вторых, на устойчивость влияет стреловидность:

Как это у самолётов

Для дополнительного снижения чрезмерной устойчивости делаем стреловидность обратной.

В-третьих, чтобы уменьшить метания ЦД по крылу в кренах (и при пролёте над неровностями), снизим роль внешней части крыла, делаем большое сужение, практически треугольное крыло.

И, наконец: скорость мала, крыло треугольное — можно использовать очень большой угол атаки. Это не просто облегчит полёт. Задняя кромка практически ложится на воду, препятствуя выходу воздуха, и на разгоне получится динамическая воздушная подушка, помогающая подъёму.

Получилась схема Липпиша

Липпиш, немецкий авиаконструктор, поработав после войны на истребительную программу американцев, занялся экранопланами. Как специалист в треугольных крыльях, он естественно пришёл к этой схеме, выпустив в 1963-м году известный X-112:

Позже двигатель переехал в более удобное место, получился X-113

— и пришла популярность.

Подведём итог: получилась очень безопасная малоскоростная машина для покатушек. Небыстрая, 60 км/час, в пределе 120. Главное достоинство в возможности весьма безопасно летать вдвоём на движке 25лс. Дёшев двигатель, дёшева конструкция. Собственная масса аппарата меньше 200кг — а это стоимость.

Энтузиасты у вариантов Х-113 есть до сих пор, хотя наступившая доступность более приличных движков и качественных материалов плохо сказалась на их количестве. Многим стали доступны лёгкие самолёты, а это уже совсем другая лига.

Схема фактически не масштабируется, при росте скорости принятые решения превращаются в свои противоположности.

Заметьте, об обычно упоминаемых супердостоинствах в виде повышенной грузоподъёмности и дальности, речи не идёт. Параметры дальности для этих экранопланов практически и не указываются, зачем это в покатушках?

Но есть и другой путь

Путь можно назвать силовым: по каждой конкретной проблеме принимается конкретное силовое решение.

  • Проблемы устойчивости? Большой стабилизатор;
  • Крыло должно быть широким? Да;
  • Длинное крыло мешает в поворотах и на неровностях? Будет коротким;
  • Трудно взлетать? Дополнительные двигатели, работающие только на взлёте.

Думаю, написанное звучит грубовато и обидно, будто придумано плохо. Но нет, придумано-то как раз хорошо, нужно понять, для чего. КБ Ростислава Алексеева делало машину не для туристов, а для военных, им дешёвые безопасные покатушки интересны мало.

Работы над военными экранопланами были начаты примерно одновременно с работами Липпиша, в начале 1960-х годов. Главным достоинством была сверхмалая высота полёта, скрывающая аппарат от вражеских радиолокаторов и слишком высокая для надводных и подводных кораблей скорость, чтобы они могли помешать выполнению задания.

Вышеназванные прямые решения были приняты не с бухты-барахты, а после исследования разных вариантов:

Сначала была испробована схема «С», тандем с двумя крыльями. Достоинства очевидны, можно летать устойчиво без больших потерь. Но всё те же резкие изменения подъёмной силы показали ненадёжность стабилизации. Кроме того, слишком большим оказалось влияние возмущений от переднего крыла на заднее.

Схема «В» (Липпиша) не годится для больших и быстрых аппаратов. И работы сосредоточились на варианте «А», классической схеме с прямым крылом, стабилизатором и разгонными двигателями.

Первым опытным был СМ-1:

Потом был СМ-2, было получено добро и начата разработка сразу самого большого, можно сказать, огромного, КМ:

Не зря он получил кличку «Каспийский монстр». Размер получился таким не случайно: летать нужно было над морем. На море волны, и бывают — высокие. Ладно тряска, можно же просто в волну влететь! Значит, нужно летать высоко. А ведь хочется ещё и быстро, машина же военная.
Но чем выше и быстрее летим, тем слабее экран, до исчезновения. Остаётся делать крыло шире, а, значит, и весь аппарат больше. Взлётная масса достигала 544 тонн, только Мрия много позже взлетала в большем весе.

Став огромным, КМ получил и проблему больших гидросамолётов: от воды тяжело оторваться, она держит. Тем более, крыло для такого аппарата небольшое. Именно потому появилась целая батарея двигателей в носу. Они не просто включаются на взлёте, их струи направлены вниз, под крыло, создавая на разгоне и отрыве от воды динамическую подушку.

В полёте разгонные двигатели отключаются, остаётся маршевый двигатель в хвосте.

Должен был получиться невероятный ракетоносец, невидимый для радаров, очень быстрый для моря и с большим запасом ракет в сравнении с самолётами.

Неплохой вариант для борьбы с авианосцами? Увы, слишком огромен, слишком зависим от погоды. Кроме того, дальность полёта оказалась на удивление мала. Впрочем, КМ был огромной, но опытной машиной с естественными недостатками. Нужны были дальнейшие шаги.

После оптимизации по большинству параметров удалось сделать классически красивый, гораздо более экономичный «Орлёнок». Назначение — быстрая перевозка десантов.

Он настолько красив, что не откажу себе в удовольствии показать схему:

Маршевый двигатель стал турбовинтовым, что гораздо лучше соответствовало скорости полёта и было экономичнее. Разгонные моторы спрятались в носовом обтекателе, да и все обводы стали более аэродинамичными.

Машина получилась более удачной, дело пошло к серии, была сформирована 11-я отдельная авиагруппа:

Параллельно создавалась новая версия КМ, ракетоносец под названием «Лунь»:

Но дело так и не вышло за рамки испытаний и экспериментов, при расширении полётов вышли наружу практически все проблемы экранопланов. Дело тянулось до 90-х годов и относительно тихо сошло на нет. Именно так, несмотря на стоны фанатов и конспирологов, просто-напросто не было обнаружено достоинств и были обнаружены множественные недостатки. Как ни старайся, как ни делай технически совершенную машину — подвёл сам принцип.

Окончательно на военных экранопланах поставили крест радиолокаторы. Появились крылатые ракеты, новые опасные цели, появились и локаторы, способные их отслеживать. Экранопланы сразу перестали быть чем-то скрытным. Скорость и дальность ракет сделали ненужной скорость и дальность экранопланов. Десанты высаживать экраноплан на произвольный берег тоже не сможет, пригодных для этого пляжей на весь мир раз, два — и обчёлся.

Так военная идея сошла на нет.

И, всё-таки, поговорим об эксплуатации. Увы, там тоже ничего обнадёживающего не нашлось:

Экономичность

Экран даёт нарастить аэродинамическое качество вдвое? Но на практике огромные потери на стабилизацию всё съедают. Не верите? Посмотрите выше на схему «Орлёнка» или здесь на схему «Луня»: стабилизатор по размеру сравним со всем крылом. И ведь кроме собственно сопротивления, он давит вниз, расходуя ту самую подъёмную силу, ради которой всё затеяно.

Сравните со схемой Ан-12, каков у него стабилизатор в сравнении с крылом:

Немного цитат с цифрами

Можно и совсем коротко: сравнить «Орлёнка» с Ан-12 (который на 25 лет старше и уж никак не совершеннее технологически или по материалам). Перевозимый груз одинаков, но Ан-12 быстрее, втрое легче и во многие же разы экономичнее. Причина ещё и в том, что самолёт поднимается туда, где плотность (и сопротивление) воздуха ниже, а экраноплан бороздит самую плотную часть атмосферы. Как видите, применение экрана никакой реальной выгоды не приносит. И это, увы, не всё.

Масса

Экраноплан — очень тяжёлый аппарат. Требования к прочности обшивки по условиям посадки на воду высоки. Требования к прочности конструкции из-за постоянно перемещающегося ЦД высоки. Получаются судовые требования к прочности при авиационных требованиях к технологиям и материалам. Очень, очень дорого.

Кроме собственно конструкции весят и двигатели. Разгонные нужно «возить бесплатно» весь полёт. Нужно обслуживать, заменять, ремонтировать. Двигатели вообще самая дорогая часть воздушного аппарата, в случае экранопланов проблема только обостряется.

Коррозия, двигатели

Экраноплан летает низко, а это пыль у земли и вода над морем. Во многие и многие разы ускоряется износ двигателей. Зимой же обледенение будет просто убийственным, морским:

«Окорочка Алексеева»

Высота полёта экранопланов совпадает с высотой полёта птиц.

Даже военным нужно двигатель беречь, видите — ставили защитные сетки:

Но для гражданских машин и такое решение не приемлемо, недавняя история с чайками в Жуковском показательна.

Проблемы есть и у речных экранопланов: остальные участники движения гораздо медленнее, а увернуться от них или безопасно перелетать не получится. Подобная проблема есть и у судов на подводных крыльях, но они всё же гораздо лучше управляются.

Современные проекты, попытка оценки

Тем не менее, идея экранопланов продолжает будоражить умы, и попыток возродить её немало. В Boeing в преддверии войны в Ираке рассматривали проект океанского экраноплана «Pelican»:

Легко заметить, что это не экраноплан по схеме, но и на эффективный самолёт тоже не похож. Трудно утверждать, насколько в Boeing проработали проект, но, кроме как бегемотожираф, я его не назову. Может быть, они надеялись, что размер (взлётная масса до 1500 тонн) поможет убежать от проблем, но… не верю.

Довольно много попыток делалось и продолжается у нас. Направлений три:
«Большие Липпиши» или гибриды по аэродинамической схеме например, С-90:

Смысл в том, чтобы уйти от очень больших потерь в очень уж прямолинейной схеме Алексеева. Но весь внешний вид показывает высокую скорость, а какой уж тогда экран без огромных размеров? Эскиз так и остался эскизом.

«Маленькие Алексеевы»
«Акваглайд 2» (автор фото: Stefan Richter)

Здесь просматривается, скорее, надежда на простоту разработки, без аэродинамических изысков. Хотя идея поддува под крыло на взлёте реализована через поворотные винты — это не про простоту.

Поскольку в малом размере необходимость стабилизации, включая поперечную, только обостряется, я бы кататься на «Акваглайде» не рискнул.

Экранолёты

Раз на экране проблемы — почему бы от них не улететь повыше? Ведь даже тяжёлая классика Алексеева умела подниматься на высоту до двух (!) километров. Конечно, с таким-то крылом и массой это был разовый прыжок, на полёт никакого запаса топлива не хватило бы.

Но соблазнительно ведь… может, добавить самолётное крыло? Даже на режиме экрана самолётное крыло ведёт себя стабильнее, а при перепрыгиваниях препятствий и вовсе поможет.

Получилось, как в немецкой фразе со словом nicht в конце:

  • Все проблемы экранопланов остаются, потому что решают их приходится не крылом, а стабилизатором;
  • Полёт на высоте не стал экономичным, тяжёлый и неправильный блин экранного крыла сопротивляется;
  • Согласование работы «экранного» крыла и «самолётного» требует проработки, которую никто не делает, просто ставят стандартные профили;
  • Два крыла — две цены, всё становится только дороже.

Но возможность выбить грант под красивую идею, да ещё чуть более летуче названную, всё же подкупает, примеры найти несложно:

Проект С-90-200:

«Иволга ЭК-12П»:

Посмотрим на ВВА-14, Иволгу, ЭКИП, Иволгу, да и тот же Pelican — то же самое, самолётное крыло.

Не случайности, а закономерности

Аварии и катастрофы в авиации увы, не новость. Но развитие в том и состоит, что причины для них устраняют. В случае экранопланов увы, всё остаётся. Проблемы и опасности, общие для всех экранопланов, никуда не делись, стоит подуть ветру, и:

 

Ничего исключительного — налицо именно классическое поведение экраноплана. Аналогичные проблемы возникали и с СМ-5, и с КМ, и с Орлёнком:

… крушения экраноплана “Орлёнок” на Каспии в 1992 году. В процессе выполнения 2-го разворота, при движении на “экране” на высоте 4 метра и скорости 370 км/ч, произошел “клевок”, начались продольные колебания с изменениями по высоте. В процессе удара о воду экраноплан разрушился. Выживших членов экипажа эвакуировал гражданский сухогруз.

Аналогичным образом завершил свою карьеру “Каспийский монстр”, разбившись вдребезги в 1980 году.

“Каспийский монстр” повторил судьбу своего предшественника — экраноплана СМ-5 (копия 100-метрового КМ в масштабе 1:4), погибшего в 1964 году. “Его резко качнуло и приподняло. Пилоты включили форсаж для набора высоты, аппарат оторвался от экрана и потерял устойчивость, экипаж погиб”.

Еще один “Орленок” был потерян в 1972 г. От удара о воду у него отвалилась вся корма вместе с килем, горизонтальным оперением и маршевым двигателем НК-12МК. Однако пилоты не растерялись, и, увеличив обороты носовых взлетно-посадочных двигателей, не дали погрузиться в воду и довели машину до берега.

О чём поют фанаты

Упомяну ещё пару легендарных проектов, о которых много говорят, и которые, к счастью для их создателей, не были закончены:

Р.Л.Бартини, «ВВА-14» (фото User:Jno — Open Museum):

Очень романтический, очень популярный и очень авантюристичный авиаконструктор Бартини пытался сделать суперневероятный аппарат сразу-со-всем. Это должен был быть скоростной самолёт с экраном и ещё и с вертикальным взлётом. Исходя из известного опыта вертикально взлетающих самолётов, проект изначально провальный. Впрочем, сколько-нибудь успешных проектов у Бартини вообще не было (упоминают Ер-2, но продвижение его к успешности заключалось именно в отказе от конструкции Бартини). А жаль — в детстве я зачитывался книгой «Красные самолёты» про него и долго был фанатом Бартини.

Щукин, «ЭКИП» (фото концерна ЭКИП):

Здесь нет вертикального взлёта, зато свалены в кучу и дисковое летающее крыло, и огромные размеры (без обеспечения экранной специфики), управление пограничным слоем (будто это автоматически избавляет от проблем устойчивости. Никого не избавило, а тут будет, ага). Технически обсуждать это вообще невозможно.

Заключение

Буквально все демонстрируемые проекты — ничего не решают, тупо паразитируя на старой идее. Но ситуацию улучшить можно. Проблема экраноплана в устойчивости — значит, нужна компьютерная устойчивость. Самолётам это даёт существенную, в десяток процентов, экономию, а экраноплан это может просто спасти. Не только устранятся опасности, в разы упадут расходы на стабилизацию.

Да, это будет высокотехнологичный и дорогой аппарат, но он сможет летать. Если ещё и применить электро- или гибридную схему двигательной установки, может, удастся и проблемы коррозии порешать. Хотя, конечно, эрозия воздушных винтов, птички, лодки и особенно яхты с их высокими мачтами — никуда не денутся.

Источник: https://habr.com/
Автор:

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!